CN104350675A - 用于控制高速同步机器的电磁转矩的方法 - Google Patents

Abstract

在此披露了一种用于控制带有永磁铁的三相同步机器的电磁转矩的方法，该方法包括对传输至该机器的电流进行测量、使用派克变换将这三个测量的电流转换成一个直轴电流分量(Id)和一个交轴电流分量(Iq)、并且接收针对该交轴电流分量(Iq)的一个指令(Iq_req)。当该直轴电流分量(Id)是负的时激活一种去通量控制模式，在该去通量控制模式下根据所述机器的一个直轴电压分量(Ud)和一个交轴电压分量(Uq)控制该机器，该直轴电压分量(Ud)和该交轴电压分量(Uq)是在派克平面中确定的。

Description

用于控制高速同步机器的电磁转矩的方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制带有永磁铁的三相同步电动机的电磁转矩的方法，并且更具体地涉及当电压饱和时的转矩控制。

背景技术

在电力驱动的机动车辆中，必须对电动机提供的转矩加以控制。由于电动机器的转矩与该机器中流动的电流直接相关，必须对这些电流加以精确地控制。

在一种同步机器、值得注意的是带有永磁铁和轴向通量的三相同步机器中，三个定子相中的电流是正弦型的并且各自偏离^-rad。这些电流在该电动机器中产生一个旋转磁场。该转子是由多个永磁铁构成的，例如具有1与5之间的极对数。像一个罗盘一样，转子自身自然地与该转子产生的旋转磁场对齐。因此，该转子的旋转频率等于这些定子电流的频率(与其同步)。这些定子电流的幅值和这些转子磁铁的能力对创造使该机器旋转所需要的转矩负责。因此，各自相等地偏离的正弦电压被施加到该定子的各个相以便控制这些电流。

通常，对恒定值的施加调节比对正弦信号要更简单。派克(Park)变换通常用于将一个三相系统投影到一个二维空间上以用于在一个等效的旋转参考系中定位的目的。以此方式，该定子的与三相系统的三个相相关的三个正弦电流和三个正弦电压可以被转换成在其中这三个正弦电流或电压信号被表达成两个恒定的电流或电压信号(一个直轴上的分量X_d和一个交轴上的分量X_q)的形式的一个空间。出于此目的，派克变换是基于与该旋转磁场相关联的一个参考系；在同步机器的情况下，该派克变换是基于与该转子相关联的一个参考系。

通过以在派克空间中表达的电流和电压工作，因此有可能作用于恒定电流或电压而不是正弦信号，以便调节有待控制的三相机器。

通过执行逆变换，有可能返回到该机器的正常参考系并且因此准确地知道哪一个电压或电流施加到该机器的各个相。

使用一个电池作为该三相电动机器的电源强加了额外的限制，因为可以应用的电压受到电池容量的限制。确实，这些限制使得不可能实现一些设定点。在可获得的空间之外的一个设定点通常产生不稳定性。

目标是确保电流在该机器中的稳定性而同时尽管这些电压限制而对该机器加以控制。由于这些约束，如果这些设定点是不可获得的，则目标是尽可能精密地接近该设定点。

文件US 3 851 234描述了一种用于通过降低提供转矩的电动机的速度防止磁饱和的方法。

文件US 5 015 937描述了一种用于以开环模式通过数据表格对绕线转子式同步电机进行控制以便防止饱和的方法。

文件US 6 181 091描述了一种控制带有永磁铁的同步电机的方法，在该方法中通过对在该电动机的每个分支中供应电压的相位脉宽调制模块的操作进行修改来防止饱和。

在这些已知的控制方法中，为了防止电压饱和而减小了该同步机器可获得的电磁转矩，值得注意的是通过在派克空间中直接对电流分量进行控制。

事实上，通常计算出相对应的直轴电流分量的图谱以便保持对该交轴电流分量的控制，从而使得可以实现针对该交轴分量的设定点。这种方法具有的缺点是必须实施对这些电流图谱调节的过程。此外，没有办法保证针对一个给定的电磁转矩将获得最佳的电流。这是因为在这种绘制图谱的方法中，为了确保电压饱和条件不会发展，给该直轴电流分量的值提供一个安全裕度；也就是说，该直轴电流分量减少了超过必要的量，以避免在对该系统加以控制中损害该机器的效率的饱和风险。

这样的直轴电流分量的减小意味着电压的减小并且因此可获得的电磁转矩减小。

发明内容

本发明提出要提供一种用于对带有永磁铁的同步机器的电磁转矩进行控制的方法，该方法使得在该同步机器在高速下以饱和电压运行时在该同步机器中能够提供电流稳定性。

根据本发明的一个方面，一个实施例提出了一种用于控制带有永磁铁的三相同步机器的电磁转矩的方法，该方法包括对传输至该机器的三相的电流进行测量、基于三相系统的变换将这三个测量的电流转换成一个直轴电流分量和一个交轴电流分量、并且接收针对该交轴电流分量的一个设定点。

根据本发明的一个特征，当该直轴电流分量是负的时激活一种去通量控制模式，在该去通量控制模式下基于所述机器的一个直轴电压分量和一个交轴电压分量控制该机器，该直轴电压分量和该交轴电压分量是在与该三相系统的变换相关的平面中确定的。

该三相系统的变换可以是派克变换。该三相系统的变换还可以是福蒂斯丘(Fortescue)变换、克拉克(Clarke)变换或Ku变换。

在派克空间中，有待控制的系统包括应于在该同步机器的派克平面的两个轴(直轴和交轴)上的一个直轴电压分量和一个交轴电压分量，这两个电压分量被表达成该同步机器的直轴电流分量和交轴电流分量的函数，这两个电流分量被应用于该派克平面的这两个轴上。当该同步机器的转子以高速运行时，该直轴电流分量具有一个负值并且如果不补偿的话会导致损失。

该去通量控制模式使得有可能抵消由于这些永磁铁的磁通量引起的项，该项与该转子的旋转速度成比例，这些磁铁的通量是恒定的，并且该项因此在高速时变得不可忽略。由于该磁通量引起的项(还被称作该机器的电磁力)引入了必须被补偿的扰动。在高速时对该同步机器的电压控制因此使得能够始终最大程度地补偿由于该磁通量引起的扰动。

有利地，当该直轴电流分量返回到一个正值或零值时退出该去通量控制模式。

该同步机器有利地在该三相系统的变换平面的直轴和交轴之间具有完美的对称性，从而使得能够获得该三相系统的变换平面的每个轴上的等效电感之间的相等。

优选地，该同步机器的控制电压的直轴分量和交轴分量取决于相同的控制参数，该控制参数被确定成使该直轴电流分量的值接近零并且使得能够补偿由这些永磁铁的磁通量引起的项。

当该直轴电流分量具有负值时，这个分量对该机器而言表示损失。因此，为了使这个损失最小化，必须将这个直轴电流分量维持在可能的最小值，而同时使这个直轴电流分量的所述值保持在足以补偿与由该转子的这些永磁铁产生的磁通量引起的项相对应的电磁力。

该控制电压的直轴分量和交轴分量优选地与相同的最大幅值成比例、并且以一种正弦的方式取决于该控制参数(Θ)，该控制参数(Θ)例如在一个范围内变化。更一般地，该控制参数(Θ)在小于或等于Pi的一个幅值范围内变化。

根据另一个方面，在一个实施例中提出了一种用于控制带有永磁铁的三相同步机器的电磁转矩的系统，该系统包括用于测量传输至该机器的三相的电流的装置、用于基于派克变换将这三个测量的电流转换成一个直轴电流分量和一个交轴电流分量的装置、以及用于接收针对该交轴电流分量的一个设定点的装置，其特征在于，该系统包括用于当该直轴电流分量是负的时激活一种去通量控制模式的控制装置，在该去通量控制模式下基于所述机器的一个直轴电压分量和一个交轴电压分量控制该机器，该直轴电压分量和该交轴电压分量是在与该派克平面中确定的。

有利地，该控制装置可以包括一个激活模块，该激活模块被适配成当该直轴电流分量是负的时激活该去通量控制模式并且当该直轴电流分量是正的时停用该去通量控制模式。

优选地，该控制装置包括一个比例积分控制器和一个模块，该比例积分控制器被适配成基于该交轴电流分量的设定点与该交轴电流分量的值之间的差值来确定与直轴电压分量和交轴电压分量相关的相同控制参数，该模块被适配成基于该控制参数确定该直轴电压分量和交轴电压分量。

该控制系统还可以包括转换装置，该转换装置被适配成对这些测量电流应用派克变换以便获得该直轴电流分量和该交轴电流分量。

附图说明

从对一个实施例的绝非以任何方式限制的详细说明以及附图的检查中，本发明的其他特征和优点将变得清楚，在附图中：

-图1示出了根据一个实施例的一种用于对同步机器的电磁转矩进行控制的方法的流程图；

-图2通过示意性的方式示出了根据本发明的一个实施例的一种用于对同步机器的电磁转矩进行控制的系统。

具体实施方式

图1示出了一种对同步机器的在其端子处的电压饱和时的电磁转矩进行控制的方法的、根据本发明的一个实施例的流程图。

在第一步骤110中，针对带有永磁铁的三相同步机器的三个相之中的每一相测量电流。

在第二步骤120中，对这三个测量的电流应用派克变换，以便获得一个直轴电流分量L_d和一个交轴电流分量I_q。

在派克空间中，控制该同步机器的方程组如下：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_d=R_s{I}_d+L_d{\stackrel{\·}{I}}_d-{\mathrm{\ω}}_r{L}_q{I}_q\\ V_q=R_s{I}_q+L_q{\stackrel{\·}{I}}_q-{\mathrm{\ω}}_r(L_d{I}_d+{\mathrm{\φ}}_f)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中V_d和V_q是应用于该机器的派克平面的这两个轴(即对应的直轴和交轴)上的电压，I_d和I_q是在该派克平面的这两个轴(即对应的直轴和交轴)上该机器中流动的电流，R_s是该机器的定子的等效电阻，L_d和L_q对应地是该机器的派克平面的直轴和交轴各自上的电感，ω_r是该机器的磁场的旋转速度(也就是该转子的旋转速度乘以该机器的极对数)，并且是由这些转子磁铁产生的通量。

电压是V_d和V_q由一个通过电池提供动力的逆变器产生的。因此必须符合以下这些约束：

$\sqrt{V_d^2+V_q^2}\≤\frac{V_{\mathrm{bat}}}{\sqrt{3}}---\left(2\right)$

其中V_bat是给该逆变器和斩波器供电的电池的电压。

目标是产生具有针对超过已知速度范围的、并且在高速下更精确的同步机器的最佳可能的效率的电磁转矩。当该电动机以高速旋转时，该机器的控制电压是饱和的，并且该派克平面中的直轴电流分量I_d是负的。

因此，在步骤130作出一次检查以确定该直轴电流分量是否具有一个负值。如果该派克空间中的直轴电流分量I_d具有负值，则在步骤140中激活一种去通量控制模式。

可以基于以下表达式计算由该同步机器产生的电磁转矩：

C_em＝p(φ_dI_q-φ_qI_d)    (3)

其中，C_em是该机器产生的电磁转矩，p是该机器转子的极对数，和对应地是该机器的直轴和交轴上产生的通量分量，这些通量分量是按以下形式表达的：

φ_d＝L_dI_d+φ_f和φ_q＝L_qI_q        (4)

在本案中，该同步机器在该派克空间的直轴与交轴之间具有完美的对称性。这给出了显著的特性La＝L_q，所以我们可以写成

C_em＝pφ_f＞I_q    (5)

因此，在这种类型的机器中，为了控制该转矩而同时使直轴电流分量l_d产生的焦耳(Joule)损失最小化，必须提供的是使直轴电流分量l_d尽可能接近零，因为只有交轴分量I_q才有助于电磁转矩。

本发明还可适用于La＝L_q情况，如果L_d大于L_q，但在这种情况下必须根据当前的直轴电流分量la对交轴分量I_q的设定点进行校正，以便提供一个恒定的转矩。这是因为在直轴电流分量La是负的情况下，会引起由该机器产生的转矩减小。因此，有可能通过使直轴电流分量la尽可能靠近零来使转矩损失最小化。

在高速时，直轴电流分量La不能被完全消除，因为由于这些永磁铁的磁通量造成的称作电磁力的项变得太大而必须被补偿。最佳的运行要求使用所有可获得的电压，如下：

$\sqrt{v_d^2+V_q^2}=\frac{V_{\mathrm{bat}}}{\sqrt{3}}---\left(6\right)$

可以通过使用一个控制变量Θ来表达V_d和V_q，该控制变量是通过以下变换来计算的：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_d=-\frac{V_{\mathrm{bat}}}{\sqrt{3}}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ V_q=\frac{V_{\mathrm{bat}}}{\sqrt{3}}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right.---\left(7\right)$

于是在高速时稳态状况下的这些电流是按以下形式来表达的：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_d=\frac{1}{R_s^2+{\mathrm{\ω}}_r^2{L}_d{L}_q}(R_s{V}_d+{\mathrm{\ω}}_r{L}_q{V}_q-{\mathrm{\ω}}_r^2{L}_q{\mathrm{\φ}}_f)\\ I_q=\frac{1}{R_s^2+{\mathrm{\ω}}_r^2{L}_d{L}_q}(-{\mathrm{\ω}}_r{L}_d{V}_d+R_s{V}_q-{\mathrm{\ω}}_r{R}_s{\mathrm{\φ}}_f)\end{array}\right.---\left(8\right)$

在高速时，R_s<<ω_rL_d＝ω_rL_q，从而允许将方程(8)表达成：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_d=\frac{{\mathrm{\&omega;}}_r{L}_q{V}_q-{\mathrm{\&omega;}}_r^2{L}_q{\mathrm{\&phi;}}_f}{R_s^2+{\mathrm{\&omega;}}_r^2{L}_d{L}_q}\\ I_q=\frac{-{\mathrm{\&omega;}}_r{L}_d{V}_d-{\mathrm{\&omega;}}_r{R}_s{\mathrm{\&phi;}}_f}{R_s^2+{\mathrm{\&omega;}}_r^2{L}_d{L}_q}\end{array}\right.---\left(9\right)$

由于这些磁铁的通量是恒定的，所以对于控制目的而言该通量不起作用。因此，该通量被视为扰动。因此，基于方程(7)，我们发现在稳定的高速状态下：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_d=G_d\cos (\$)-{\mathrm{perturbation}}_d\\ {1l}_q=G_q\sin (^)-{\mathrm{perturbation}}_q\end{array}\right.---\left(10\right)$

其中 $G_d=\frac{{\mathrm{\&omega;}}_r{L}_q{V}_{\mathrm{bat}}}{\sqrt{3}(R_s^2+{\mathrm{\&omega;}}_r^2{L}_d{L}_q)}$ 和 ${\mathrm{perturbation}}_d=\frac{{\mathrm{\&omega;}}_r^2{L}_q{\mathrm{\&phi;}}_f}{R_s^2+{\mathrm{\&omega;}}_r^2{L}_d{L}_q},$ 并且 $G_q=\frac{{\mathrm{\&omega;}}_r{L}_d{V}_{\mathrm{bat}}}{\sqrt{3}(R_s^2+{\mathrm{\&omega;}}_r^2{L}_d{L}_q)}$ 和 ${\mathrm{perturbation}}_q=\frac{{\mathrm{\&omega;}}_r{R}_s{\mathrm{\&phi;}}_f}{R_s^2+{\mathrm{\&omega;}}_r^2{L}_d{L}_q}.$

在高速时，电磁力不再能够被完全补偿，并且因此结果是意味着Gd<扰动_d，并且G_q>扰动_q，因为

在步骤140中激活该去通量控制模式之后在步骤150中基于在范围内变化的控制参数Θ提供了对该电机的电压控制。通过在这个范围内改变控制参数Θ，使得该交轴电流分量I_q在正域和负域中变化，因此导致该同步机器以电动机模式和发电机模式运行，而仍然提供了对项perturbatiorid的最大补偿，因而限制了产生焦耳损失的直轴分量l_d。该同步机器因此维持有饱和电压，从而允许获得最大电磁转矩，而这些电流仍然是通过该机器的电压控制经由控制参数Θ加以控制的。

在步骤160作出一次检查以确定该直轴电流分量l_d是否不再是负的。如果该直轴电流分量仍然是负的，则继续基于控制参数Θ对该同步机器加以电压控制。当使用该控制参数Θ时，为了增大交轴电流分量I_q，必须将控制参数Θ增大到最大值π/2以实现该机器可获得的最大功率，直轴电流分量l_d随着控制参数Θ的增大而自动减小。相反地，为了减小交轴电流分量I_q，必须使控制参数Θ减小到最小值-π/2以实现最大再生转矩。本发明因此提供了直轴电流分量l_d的自适应。

然而，只要该直轴电流分量不再是负的，在步骤170中退出该去通量控制模式。

图2示出了根据本发明的一个实施例的一种用于控制带有永磁铁的三相同步机器的电磁转矩的系统。

用于控制带有永磁铁的三相同步机器的电磁转矩的系统1包括用于测量传输至该机器的三相的电流I₁、I₂、I₃的装置2。这些测量装置2被耦合到用于将这三个测量的电流基于派克变换转换成一个直轴电流分量l_d和一个交轴电流分量I_q的转换装置3。该控制系统还包括用于接收针对交轴电流分量I_q的一个设定点I_{q_req}的装置4。

该控制系统1包括控制装置5，该控制装置包括在其输入端接收直轴电流分量l_d的并且适配成激活一种去通量控制模式的一个激活模块6，在该去通量控制模式下当直轴电流分量l_d是负的使，基于所述机器的派克空间中的一个直轴电压分量和一个交轴电压分量对该机器加以控制。

控制装置5包括一个比例积分控制器7，该比例积分控制器被适配成确定其直轴电压分量和交轴电压分量取决于针对该交轴电流分量的设定点I_{q_req}与由减法器8计算的交轴电流分量I_q的值之间的差值的相同控制参数。该控制装置还包括被适配成基于控制参数Θ确定直轴电压分量V_d和交轴电压分量V_q的一个模块9。

本发明因此使得能够对带有永磁铁的同步机器的电磁转矩进行控制而同时在该同步机器在高速以饱和电压运行时在该同步机器中提供电流稳定性。

Claims (9)

1.一种用于控制带有永磁铁的三相同步机器的电磁转矩的方法，该方法包括对传输至该机器的三相的电流进行测量、基于三相系统的变换将这三个测量的电流转换成一个直轴电流分量(la)和一个交轴电流分量(I_q)、接收针对该交轴电流分量(I_q)的一个设定点(I_{q_req})，并且当该直轴电流分量(la)是负的时激活一种去通量控制模式，在该去通量控制模式下基于所述机器的一个直轴电压分量(Va)和一个交轴电压分量(V_q)控制该机器，该直轴电压分量(Va)和该交轴电压分量(V_q)是在与该三相系统的变换相关的平面中确定的，其特征在于，该同步机器的控制电压的直轴分量(Va)和交轴分量(V_q)取决于相同的控制参数(Θ)，该控制参数被确定成使该直轴电流分量(la)的值接近零并且使得能够补偿由这些永磁铁的磁通量引起的项。

2.如权利要求1所述的方法，其中当该直轴电流分量(la)返回到一个正值或零值时退出该去通量控制模式。

3.如权利要求1和2中任一项所述的方法，其中该同步机器在该三相系统的变换平面的直轴和交轴之间具有完美的对称性，从而使得能够获得该三相系统的变换平面的每个轴上的等效电感(La和L_q)之间的相等。

4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中该控制电压的直轴分量(Va)和交轴分量(V_q)优选地与相同的最大幅值(V_bat)成比例、并且以一种正弦的方式取决于该控制参数(Θ)，该控制参数(Θ)在一个范围内变化。

5.如权利要求4所述的方法，其中该直轴分量和该交轴分量是根据以下表达式来表达的：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_d=-\frac{V_{\mathrm{bat}}}{\sqrt{3}}\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)\\ V_q=\frac{V_{\mathrm{bat}}}{\sqrt{3}}\cos \left(\mathrm{\&theta;}\right)\end{array}\right.$

6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中该三相系统的变换是派克变换。

7.一种用于控制带有永磁铁的三相同步机器的电磁转矩的系统(1)，该系统包括用于测量传输至该机器的三相的电流的装置(2)、用于基于三相系统的变换将这三个测量的电流转换成一个直轴电流分量(la)和一个交轴电流分量(I_q)的装置(3)、用于接收针对该交轴电流分量(I_q)的一个设定点(I_{q_req})的装置(4)、以及用于当该直轴电流分量(la)是负的时激活一种去通量控制模式的控制装置(5)，在该去通量控制模式下基于所述机器的一个直轴电压分量(Va)和一个交轴电压分量(V_q)控制该机器，该直轴电压分量(Va)和该交轴电压分量(V_q)是在与该三相系统的变换相关的平面中确定的，其特征在于，该控制装置(5)包括一个比例积分控制器(7)和一个模块(9)，该比例积分控制器被适配成确定其直轴电压分量(Va)和交轴电压分量(V_q)取决于针对该交轴电流分量的设定点(I_{q_req})与该交轴电流分量(I_q)的值之间差异的相同控制参数(Θ)，该模块被适配成基于该控制参数确定该直轴电压分量和交轴电压分量。

8.如权利要求7所述的系统，其中该控制装置包括一个激活模块，该激活模块被适配成当该直轴电流分量(la)是负的时激活该去通量控制模式并且当该直轴电流分量(la)是正的时停用该去通量控制模式。

9.如权利要求7和8中任一项所述的系统，包括转换装置(3)，该转换装置被适配成对这些测量的电流应用派克变换以便获得该直轴电流分量(la)和该交轴电流分量(I_q)。